天气学原理和方法--第一章-大气运动的基本特征概要

天气学引言一、天气学研究的对象天气学是研究不同尺度的天气系统和天气现象发生发展及其变化的基本规律，并利用这些规律来预测未来天气的科学。而利用天气学的基本原理，提高预报的准确率，研究并发展天气预报方法，是天气学的最终目的。•二、天气学的发展•单站预报方法阶段•地面天气图阶段•单站与天气图预报结合阶段•高空天气图的引入与波动理论的建立阶段•开展数值天气预报的研究和应用阶段•数值预报与卫星、雷达等先进探测技术结合应用阶段第一章大气运动的基本特征第一节影响大气运动的作用力一、基本知识•大气分层：对流层、平流层、中间层、暖层和散逸层大气分为五层，自下而上依次是：对流层、平流层、中间层、暖层和散逸层•气压及其单位在任何表面上，由于大气的重量所产生的压力，也就是单位面积上所受到的力，叫做大气压。其数值等于从单位底面积向上，一直延伸到大气上界的垂直气柱的总重量。气压是重要的气象要素之一。单位为：毫巴或百帕1mb=1hPa=100Pa某地的气压值，等于该地单位面积上大气柱的重量。高度愈高，压在其上的空气柱愈短，气压也就愈低。因此，气压总是随着高度的增加而降低气压随高度变化示意图几种常见的气压场形式槽、槽线脊、脊线两种参考系中的时间全导数AdtAddtAdaAdtAddtAda此关系对任何矢量均成立绝对速度和相对速度rVVVVrdtrddtrdeaa绝对速度相对速度牵连速度)(2)(rVdtVddtVdVdtddtVdaaaaa绝对加速度和相对加速度绝对加速度相对加速度地转偏向加速度向心加速度zTwTVdtdTtTzTwyTvxTutTdtdT局地变化个别变化平流变化对流变化全导数和局地导数之间的关系RVFdtVdrVdtVddtVdiiaa22)(2二、影响大气运动的作用力影响大气运动的作用力为：真实力：气压梯度力、地心引力、摩擦力虚拟力：惯性离心力、地转偏向力气压梯度力：作用于单位质量气块上的净压力，由于气压分布不均匀而产生性质：大小与气压梯度成正比，与空气密度成反比，方向指向气压梯度方向，即由高压指向低压pG1气压梯度是由于气压分布不均匀而产生的，而气压分布不均匀反映在天气图上就是等压线的分布有疏有密，这种等压线的疏密程度表示了单位距离内气压差的大小，等压线愈密集，表示气压梯度愈大。两地之间存在气压梯度的话，气压梯度就会把两地间的空气从气压高的一边推向气压低的一边，于是空气流动起来，风产生了)(20rraGMg地心引力：指向地心真实存在的力)(222222kzwjzvizuF摩擦力：指大气因具有粘性，当有相对运动时所受到的一种粘性力。指向速度的反方向RC2惯性离心力：在旋转坐标系中物体受到向心力的作用却静止。违反牛顿运动定律，从而引入此力以平衡向心力，使牛顿运动定律成立。惯性离心力在纬圈平面内，与向心力大小相等，方向相反。VA2地转偏向力：由于坐标系的旋转导致物体没有受力却出现加速度，违反牛顿运动定律，从而引入，以使牛顿运动定律在旋转参考系中成立地转偏向力的特点：地转偏向力与相垂直，在纬圈平面内地转偏向力与风速垂直，只改变气块的运动方向，不改变其速度大小在北半球，在水平速度的右侧，在南半球在水平速度的左侧AAAAVRgg2旋转坐标系中的重力：单位质量大气所受到的地心引力与惯性离心力的合力。重力垂直于水平面，赤道最小，极地最大第二节控制大气运动的基本定律大气运动受到动量守恒、质量守恒、能量守恒定律的控制由上节分析可得旋转坐标系中大气运动方程为FgVpdtVd21向量形式的运动方程展开成分量形式，可以在球坐标和局地直角坐标中进行。球坐标系中的运动方程分量形式能够描述从近地面层附近到全球大气环流的各种各样的运动，它不仅含有旋转坐标系中的各个作用力，还含有地球曲率对相对运动加速度的影响，但形式复杂。在天气学中除个别问题外，一般采用局地直角坐标系的分量方程局地直角坐标系中的分量方程zyxFguzpdtdwFuypdtdvFwvxpdtducos21sin21)cossin(21连续方程：表示大气质量守恒定律的数学表达式0zwyvxut或0)(Vt)(V质量散度：单位体积内流体的净流出量0净流出0净流入tV)(表示固定在空间的单位体积内流体的净流出量等于该单位体积内流体质量的减少00)(Vdtdzwyvxuzwyvxut连续方程也可变形为速度散度V速度散度:表示流体在单位时间内体积的相对膨胀率或者说式在单位时间内单位体积在膨胀时所增加的部分0体积增大辐散0体积缩小辐合dtddtdV11当流体不可压时：为水平散度:流体在单位时间内水平面积的相对膨胀率0dtd0V则0zwyvxu不可压缩流体的速度散度为零yvxu热力学能量方程QdtdpdtdTcQpVpdtdev第三节大尺度运动系统的控制方程尺度分析:针对某种类型的运动估计基本方程各项量级的一种简便方法零级简化:只保留方程中数量级最大的各项,而其他各项都省略不计一级简化:除保留方程中数量级最大的各项外,还保留比最大项小一个量级的各项,而将更小的项略去不计水平运动方程的零级简化fuypfvxp1010地转平衡关系水平运动方程的一级简化fuypdtdvfvxpdtdu11sin2f为地转参数垂直运动方程的零级、一级简化gzp10即静力方程连续方程的零级简化0)(10lnzwyvxuzwzwyvxu热力学能量方程的零级简化QcyTvxTutTQcyTvxTutTpp1)(1当时间比较短并且无凝结过程的天气时，非绝热作用很小，则热力学方程化为如下形式，表示在非决热作用很小时，大尺度系统的局地温度变化主要是温度平流引起)(yTvxTutTQcwyTvxTutTpd1)(热力学能量方程的一级简化0010101yvxugzpfuypfvxp大尺度运动零级简化方程组中纬度大尺度运动具有准定常准水平准地转平衡准静力平衡准水平无辐散特点QcwyTvxTutTzwyvxugzpfuypdtdvfvxpdtdupd1)(0)(11011中纬度大尺度运动一级简化方程组第四节P坐标系中的基本方程组一、位势和位势高度220(m/)(/)zgdzs焦耳千克位势（重力位势）：单位质量的物体从海平面上升到高度z克服重力所作的功9.8gzz019.89.8zHgdz9.8/焦耳千克当物体在等位势面上移动时，位能不发生变化，不需要克服重力作功，等位势面处处与重力方向垂直，等位势面是水平面，用位势度量等压面上各处距海平面的高度，在水平运动方程中不存在重力的分量，比较方便，但位势的单位是焦耳/千克，不是高度单位，为了应用的方便，定义位势米为位势高度单位。当z=1m时定义：1位势米=9.8焦耳/千克，以H表示。则以位势米表示的位势高度为：二、P坐标系中大气运动基本方程组pdpcQTVtTRTppyvxupyfudtdvxfvdtdu)(01第五节风场和气压场的关系大尺度系统的运动方程，揭示了中纬度大尺度运动中相当简单的作用力平衡关系，说明大尺度运动具有平衡运动的特征，本节主要依据这种力的平衡关系，讨论地转风、梯度风、热成风等，并建立风场、气压场和温度场之间的关系地转风（geostrophicwind）地转风是指自由大气中空气的水平等速直线运动，是指无加速度、惯性离心力不起作用情况下的运动。在这种运动中，只有水平气压梯度力和地转偏向力起作用。地转风是自由大气中水平气压梯度力和地转偏向力相平衡时的空气的水平运动。地转风是平衡运动，它受到的合外力等于零，没有加速度。空气运动平行于等压线，人背风而立，高压在右，低压在左。kpfVxpfvypfuhggg111Z坐标系的地转关系kfVxfvyfupggg111P坐标系的地转关系地转风的特点：地转关系是在无摩擦，不考虑加速度和垂直方向的地转偏向力的情况下近似成立的地转风与气压梯度力成正比，与密度和地转参数成反比（应用）地转风与等压线平行，在北半球，背风而立，低压在左高压在右，南半球，背风而立，低压在右高压在左（风压定律）（应用）平时我们说水往低处流，那么空气也应该从高压向低压流动了。但实际上却是平行于等压线流动的，这是地转偏向力影响的结果。因为，当有了气压梯度之后，空气要从高压向低压流，但一有运动，就会受地转偏向力的作用，使运动方向向右偏(北半球)，随着运动方向的改变，偏向力的方向也改变，因为偏向力的方向永远垂直于运动方向所指的右方。10101008100610041002（hPa）气压梯度力风向地转偏向力地转偏向力：方向始终与风向垂直只改变风向，不影响风速梯度风gradientwind梯度风是地转风在一定条件下，转化成另一种大尺度的系统风。当地转风在圆形的气压场中时，风是做等速曲线运动。作曲线运动物体的运动轨道，都有一定长度半径，所以风在运动时，除梯度力、偏向力作用外，还要受到惯性离心力的作用，当三个力作用平衡时，有效分力为零，风沿等压曲线作惯性等速曲线运动，这就是梯度风。梯度风表达式fTffVnpRV102惯性离心力气压梯度力地转偏向力应用地转关系，气旋性环流中对风速估计过高应用地转关系，反气旋性环流中对风速估计过低梯度风应用：大尺度系统，气旋性环流与低压相结合，低压中心就是气旋性环流中心；反气旋性环流与高压相结合，高压中心就是反气旋性环流中心npRfRfRVTTTf4222应用：低压中心等压线可分析的密集些，高压中心附近等压线应分析的稀疏些实际中，大风区经常出现在低压中心和高压边缘区域气旋中心气压梯度和风速可无极限，而在反气旋中则有极限，梯度风有一极大值热成风thermalwind热成风：地转风随高度的改变量或铅直方向上两等压面上地转风的矢量关系，以表示TVTkppfRVzzkfgVVVTggT100101ln)(热成风与平均温度线或厚度梯度平行，背风而立，低温在左高温在右热成风大小与平均温度梯度或厚度梯度成正比，与纬度成反比TkfRpVTkpfRpVyTpfRyfypzfgpuxTpfRxfxpzfgpvpgpgpgpgln1)(1)1(1)(1)1(122或常用热成风关系式热成风与冷暖平流地转风随高度顺转有暖平流，地转风随高度逆转有冷平流地转偏差geostrophicdeparture实际风与地转风之差称为地转偏差，或偏差风VgVDD在气压梯度力G和地转偏向力A平衡的条件下，风本来沿着等压线方向等速前进（V），但摩擦力R从它背后拉一把，风速减小为VR，地转偏向力由于风速减小也跟着减小为AR，于是气压梯度力便超过被削弱了的地转偏向力而把风拉向低气压一侧。这时候地转偏向力为了与风向保持垂直，摩擦力为了与风